用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法技术

用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法，属于超声无损检测技术领域。该方法采用一套包括涂层试样、超声波平探头、超声波探伤仪、XYZ三维步进装置和计算机的超声检测系统。该方法提出超声波作用粗糙弱结合界面的相屏近似弹簧模型，推导出声波垂直入射耦合介质/涂层/基底三介质二界面结构的超声相位导数谱，用灵敏度分析辨识超声相位导数谱对涂层厚度、粗糙度与界面刚度的高灵敏度区间，互相关分析消除参考信号、检测信号初相位引入的偏差，进而实现涂层厚度、粗糙度与界面刚度的同时定量表征。该方法克服了传统超声幅度谱或相位谱对高质量参考信号的依赖，而且解决了现有无损检测方法难以实现粗糙度与界面刚度同时测量的问题。同时测量的问题。同时测量的问题。

【技术实现步骤摘要】
pressure reflected coefficient phase spectrum，URCPS)，首次实现了涂层内界面粗糙度、声速与厚度同时表征。后续工作又基于弹簧模型，建立了超声声压反射系数幅度谱(Ultrasonic pressure reflected coefficient amplitude spectrum，URCAS)，用于反演涂层/基体结构的界面刚度，反演界面刚度值与预设值在高灵敏度范围内最大相对误差小于6％。上述采用URCPS或URCAS表征界面粗糙度或界面刚度的方法，均需事先采集参考信号进而对检测信号进行归一化处理，参考信号幅值波动、相位变形均会给检测结果带来不容忽略的偏差。而且，上述方法仅是对涂层厚度、粗糙度或界面刚度的单独测量。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提出用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法。解决单个超声体波探头垂直入射时的涂层上表面回波和涂层/基体界面回波混叠问题，克服了传统URCPS或URCAS等方法需要参考信号的限制，也消除了检测信号初相位、耦合介质厚度带来的干扰，还克服了超声显微镜等设备相对昂贵、操作复杂、不易于工程应用以及目前存在的超声体波技术无法实现涂层厚度、粗糙度或界面刚度耦合参数同时表征的问题。适用范围更广，工程应用简单易行，可推广应用到涂层界面质量的C扫描成像，具有较大的经济效益和社会效益。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法，采用的超声检测系统包括涂层试样、超声波平探头、超声波探伤仪、XYZ三维步进装置以及计算机，检测步骤如下：
[0007](1)基于界面应力σ连续(σ1＝σ2)、位移u不连续(u1‑
u2＝K
n
σ)的边界条件，提出粗糙弱结合界面的相屏近似弹簧模型，构建超声波垂直入射的反射系数r
12
与透射系数t
12
，其中，Z1与Z2分别表示界面毗邻介质1与介质2的声阻抗，V1与V2分别表示界面毗邻介质1与介质2的声速，i表示复数的虚部，K
n
为垂向界面刚度系数，Rq为界面轮廓均方根偏差，f表示超声波频率；
[0008][0009][0010](2)基于粗糙弱结合界面的反射系数r
12
与透射系数t
12
，推导获得超声波垂直入射至耦合介质/涂层/基体构成的三介质二界面结构的反射回波P
R
，其中，为初始相位，z0为探头距离耦合介质/涂层界面的距离，k
w
为耦合介质中沿着声波入射方向的波数，d
c
表示涂层厚度，k
c
表示涂层波数，其中r
wc
与r
cs
分别表示耦合介质/涂层界面与涂层/基体界面的反射系数，i表示复数的虚部；
[0011][0012](3)对反射回波P
R
进行傅里叶变换，获得P
R
在频率域f的实部Re(P
R
)与虚部Im(P
R
)，进而推导出三介质二界面结构的反射回波相位谱(RPS)；
[0013][0014]其中：其中V
w
表示耦合介质的纵波声速，V
c
表示涂层的纵波声速；
[0015][0016](4)将步骤(3)获得的RPS对频率变量f求一阶导数，进而获得超声相位导数谱(UPDS)；
[0017][0018](5)通过灵敏度公式(7)分析UPDS对待测参数p的灵敏度S，其中p代表涂层d
c
、粗糙度Rq和界面刚度K
n
三个参数，依据灵敏度极值S
extr
的10％分别确定涂层厚度d
c
、粗糙度Rq和界面刚度K
n
的高灵敏度区间[d
c
‑
down
～d
c
‑
up
]、[Rq
down
～Rq
up
]和[K
n
‑
down
～K
n
‑
up
]；
[0019][0020](6)采用超声检测系统结合超声渡越时间法和阿基米德排水法分别获得耦合介质、涂层、基体的声速V
w
、V
c
、V
s
与密度ρ
w
、ρ
c
、ρ
s
；
[0021](7)将超声波平探头置于被测涂层试样上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直，超声波经过耦合介质入射到耦合介质/涂层与涂层/基体界面，采集包含耦合介质/涂层以及涂层/基体界面的反射回波P
R
(t)；
[0022](8)对步骤(8)所采集的反射回波P
R
(t)进行傅里叶变换，获得涂层试样对应位置的试验超声相位导数谱UPDS
exp
(f)；
[0023](9)用互相关运算公式(8)反演涂层厚度d
c
、粗糙度Rq和界面刚度K
n
，其中N表示反射回波P
R
(t)进行傅里叶变换后
‑
6dB有效频带范围内的数据点数，下角标i表示第i个数据点，在高灵敏度区间[d
c
‑
down
～d
c
‑
up
]、[Rq
down
～Rq
up
]与[K
n
‑
down
～K
n
‑
up
]内，分别以一定间隔赋予涂层厚度d
c
、粗糙度Rq与界面刚度K
n
的连续变化值，得到理论超声相位导数谱UPDS
cal
(f)，下角标cal表示理论计算数据，令其作为母体，将实验的超声相位导数谱UPDS
exp
(f)与其逐一进行互相关运算，相关系数最大位置η
max
(d
c
，Rq，K
n
)对应的d
c
，Rq和K
n
，即为涂层试样最佳的厚度、粗糙度与界面刚度结果。
[0024][0025]其中，N表示反射回波P
R
(t)进行傅里叶变换后
‑
6dB有效频带范围内的数据点数，公式(8)中的j表示第j个数据点。
[0026]具体的，在高灵敏度区间[d
c
‑
dow
n～d
c
‑
up
]、[Rq
down
～Rq
up
]与[K
n
‑
down
～K
n
‑
up
]内，赋予涂层厚度d
c
、粗糙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法，其特征是：检测步骤如下：(1)基于界面应力σ连续、位移u不连续的边界条件，提出粗糙弱结合界面的相屏近似弹簧模型，构建超声波垂直入射的反射系数r
12
与透射系数t
12
：：其中，Z1与Z2分别表示界面毗邻介质1与介质2的声阻抗，V1与V2分别表示界面毗邻介质1与介质2的声速，i表示复数的虚部，K
n
为垂向界面刚度系数，Rq为界面轮廓均方根偏差，f表示超声波频率；(2)基于粗糙弱结合界面的反射系数r
12
与透射系数t
12
，获得超声波垂直入射至耦合介质/涂层/基体组成的三介质二界面结构的反射回波P
R
；其中，为初始相位，z0为探头距离耦合介质/涂层界面的距离，k
w
为耦合介质中沿着声波入射方向的波数，d
c
表示涂层厚度，k
c
表示涂层波数，r
wc
与r
cs
分别表示耦合介质/涂层界面与涂层/基体界面的反射系数，i表示复数的虚部；(3)对反射回波P
R
进行傅里叶变换，获得P
R
在频率域f的实部Re(P
R
)与虚部Im(P
R
)，进而推导出三介质二界面结构的反射回波相位谱RPS，其中V
w
表示耦合介质的纵波声速，V
c
表示涂层的纵波声速；其中：(4)将步骤(3)获得的RPS对频率变量f求一阶导数，进而获得超声相位导数谱UPDS；(5)通过灵敏度公式(7)分析UPDS对待测参数p的灵敏度S，其中p代表涂层d
c
、粗糙度Rq和界面刚度K
n
三个参数，依据灵敏度极值S
extr
的10％分别确定涂层厚度d
c
、粗糙度Rq和界面刚度K
n
的高灵敏度区间[d
c
‑
down
～d
c
‑
up
]、[Rq
down
～Rq
up
]和[K
n
‑
down
～K
...

【专利技术属性】
技术研发人员：马志远，林莉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：